CN109313366A - 光配向量子棒增强膜 - Google Patents

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Abstract

一种光配向量子棒增强膜(QREF)包括：基板(802,805)；光配向层，其设置在所述基板(802,805)上；和聚合物层，其设置在所述光配向层上，所述聚合物层包括多个量子棒，所述多个量子棒被配置成响应于泵浦光发射一个或更多个波长的光，且所述多个量子棒基于所述光配向层与取向轴对准。

Description

光配向量子棒增强膜
相关申请的交叉引用
本专利申请要求保护于2016年5月10日提交的U.S.临时专利申请No.62/391,731的权益，其通过引用并入本文。
背景技术
量子点增强膜(QDEF)是包含量子点的工程膜，其已经变得非常流行于现代的液晶显示器(LCD)以提供扩展的色域。配备有QDEF的现代的LCD的色域能够从色三角形的60-70％到色三角形的大于100％，这是巨大的成功。这些膜广泛用于TV、平板电脑等的显示器中。还据报道，量子点显示器比其他高性能显示器技术(如，有机发光二极管(OLED)技术)更亮且使用更少能量。然而，对于现有LCD，总光学效率仍限于3-5％。彩色滤光片和彩色偏振片通常分别导致～70％
和～60％的光损耗。为了降低或消除与彩色滤光片相关联的损耗，已经尝试使用场顺序彩色显示的概念。
最近，基于粒子的大小已经建立的具有特定能量带隙的半导体量子点(QD)发出具有非常纯颜色的光。进一步地，如果QD的纵横比增加到1以上(如，1.2以上)，则QD发出偏振光。还已知为量子棒(QR)的棒形QD发出偏振光，该偏振光能够用来增加LCD的偏振片和光电器件的效率。QR通过在制造期间改变其大小而被调谐以产生更好的颜色从而发出正好在正确的波长的光，并给出像QD一样的良好的颜色纯度。
还期望的是，取向的QR发出偏振光，该偏振光能够用来改善现代的LCD的偏振效率。然而，为了确保薄膜中发射的肉眼可见的线偏振，QR必须被组装成平行阵列。QR取向不容易实现且甚至在考虑LCD面板的更大规模的取向时变得更困难。已经用来取向QR的技术的示例包括：蒸发介导(evaporation-mediated)组装电场、模板辅助组装以及化学结合定向的自组装等。具体地，这些方法通过使用外力驱动其取向来以QR的长程有序为目标。然而，大多数这些方法在局部取向取向上提供非常有限的灵活性，这降低了其关于LCD的大规模制造的预期。
发明内容
在示例实施例中，本发明提供一种光配向的量子棒增强膜(QREF)。光配向QREF包括：基板；光配向层，其设置在所述基板上；和聚合物层，其设置在所述光配向层上，其中，所述聚合物层包括多个量子棒，其中，所述多个量子棒被配置成响应于泵浦光发射一个或更多个波长的光，且所述多个量子棒基于所述光配向层与取向轴取向。
在又一示例实施例中，本发明提供一种液晶显示器。液晶显示器包括：液晶层；光配向的量子棒增强膜(QREF)，其设置在所述液晶层下面，所述光配向QREF包括：基板；光配向层，其设置在所述基板上；和聚合物层，其设置在所述光配向层上，其中，所述聚合物层包括多个量子棒，其中，所述多个量子棒被配置成响应于泵浦光发射一个或多个波长的光，且所述多个量子棒基于所述光配向层与取向轴取向；和背光，其设置在所述光配向QREF下面。
在又一示例实施例中，本发明提供一种用于制造光配向的量子棒增强膜(QREF)的方法。所述方法包括：设置基板；在所述基板上涂覆光配向层；限定所述光配向层的取向；在所述光配向层上涂覆包括量子棒的单体层；以及聚合所述单体层。
附图说明
图1描绘根据本发明的示例实施例的包括QR的光配向的亮度增强膜的制造过程的示意性流程图。
图2描绘根据本发明的示例实施例的包括QR的光配向的亮度增强膜的制造过程的流程图。
图3A是光配向QREF的示例透射式电子显微镜(TEM)图像。
图3B是示出图3A中的QR相对于易轴的角位置的示例图。
图4A是发射强度与偏振片的偏振轴的角位置的关系的示例图。
图4B是从光配向QREF发出的光的偏振度与SD1光配向的照射时间的关系的示例图。
图5A是描绘根据本发明的示例实施例的在单层中混合在一起的两种类型的量子棒的图。
图5B是示出包含图5A中示出的两种类型的量子棒的单层的截面的图。
图5C是描绘根据本发明的示例实施例的两层的图，这两层一个设置在另一个上且均具有不同类型的量子棒。
图5D是示出在图5C中示出的均具有不同类型的量子棒的两层的截面的图。
图6A是从绿色量子棒发射的灰度版本的示例照片，其展现了在示例实施方式中实现的亮度增强。
图6B是从红色量子棒的发射的灰度版本的示例照片，其展现了在示例实施方式中实现的亮度增强。
图6C是比较对应于在示例实施方式中的示例光配向QREF的色三角形与对应于NTSC标准的色三角形的图。
图7是蓝光照射的光配向QREF的强度轮廓的示例图。
图8是具有光配向QREF的液晶显示器的示例实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的示例实施例利用QR在固体薄膜中的光配向，这提供了控制局部和长程取向方向二者的灵活性。已经广泛用于控制液晶分子取向的目的的光配向技术可与QR自组装的效果组合以实现分布在液晶聚合物(LCP)膜中的QR的局部取向。
本发明的示例实施例通过光配向QR为LCD提供亮度增强膜，以提供光配向的量子棒增强膜(QREF)，该QR分布在可聚合的单体膜中，该可聚合的单分子膜设置在光配向层的顶部上。光配向QREF膜能够响应于受到泵浦光激发而发出一个或多个选择波长的光，并提供改善的色域(类似于QDEF)。光配向QREF膜还提供高度期望的偏振发射，这还增加了偏振片的偏振效率。
用于取向QR的光配向大规模地提供良好的均匀性。此外，通过该方法，QR取向的有序参数(对应于在取向方向上取向的QR的量)足够高使得关于发射的光实现高偏振度(如,0.87)。
根据本发明的示例实施例的光配向QREF膜当由光(如，蓝光)照射时发射偏振光。根据本发明的示例实施例的光配向QREF膜还提供类似于QDEF的颜色增强，且进一步用作改善色域和偏振效率的亮度增强膜。
图1描绘根据本发明的示例实施例的包括QR的光配向的亮度增强膜的示例制造过程的示意性流程图。在步骤101，将溶剂(如，二甲基甲酰胺(本文称为“DMF”))涂覆在基板上，以形成SD1层(见步骤102)，该溶剂包含最适浓度(如,0.5-5％wt/wt)的偶氮染料(如，磺酸基的偶氮染料，四钠5,5'-((1E,1'E)-(2,2'-二磺酸盐-[1,1'-联苯]-4,4'-取代基)二铀(二氮烯-2,1-取代基)二铀(2-羟苯酸盐)(本文称为“SD1”))。在步骤103，SD1层由偏振光照射以提供优选的取向方向以形成SD1取向层(见步骤104)。
在限定取向方向之后，在步骤105，将在非极性溶剂(如,甲苯)中的单体(如，液晶单体)、光引发剂(如,Igracure 541或DMPAP)以及QR的混合物涂覆在取向层上。光引发剂的浓度可固定为例如溶液中单体重量的1％wt/wt，其中，溶液中单体浓度为例如10-40％wt/wt。取向层为薄膜的单体分子和QR提供取向(见步骤106)。单体分子沿着取向层的SD1分子的取向方向，而QR取向垂直于取向层的SD1分子。
在步骤107，具有QR的单体分子受到紫外线照射以聚合单体层，由此提供光配向QREF，该光配向QREF是固体薄膜，该固体薄膜具有聚合物层(如,LCP层)、取向层和基板(见步骤108)。
在其他示例实施例中，热引发剂(如，过氧化苯甲酰或1,1’偶氮二异丁腈(环己甲腈))可在步骤106中代替光引发剂使用，且步骤107将包括暴露单体层以(如，经由热板)加热从而聚合单体层。
图2描绘根据本发明的示例实施例的包括QR的光配向的亮度增强膜的制造过程的流程图。
在步骤201，将取向层涂覆在基板上。基板的厚度可随应用变化，并且使用的取向材料可提供零预倾角度、均匀性和高锚定能量。在示例实施方式中，可将SD1的混合物旋转涂覆在基板上，且取向层的厚度可在接近10-30nm的范围内。
在步骤202，限定取向。例如，取向层可被曝光以生成光配向的易轴。在示例实施方式中，取向层暴露于波长为450nm且强度为1.3mW/cm2的照射光，其中，照射光的偏振方位垂直于光配向的易轴。
在步骤203，将单体层涂覆在取向层上，其中，单体层包括QR。例如，将包括单体与QR以及光引发剂的混合物的溶剂旋转涂覆在取向层上。包括单体与QR的混合物的单体层的厚度可基于期望的亮度针对不同应用而变化。在示例实施方式中，单体层的厚度为700nm。
在步骤204，单体层被聚合以形成聚合物层。例如，照射单体层以聚合其中的单体分子。在示例实施方式中，单体层暴露于波长为400nm且强度为5mW/cm2的照射光。
在完成步骤204后，制造亮度增强膜完成。亮度增强膜是光配向QREF，其具有LCP层、取向层和基板。
在示例实施方式中，分布在LCP层中的光配向QR导致大于0.87的有序参数。图3A是在示例实施方式中的光配向QREF的示例透射式电子显微镜(TEM)图像。如图3A所示，大多数QR在一个方向上取向。图3B是示出图3A中的QR相对于易轴的角位置的示例图。
在示例实施方式中，从光配向QREF发射的光的偏振度(DOP)大于0.75。图4A是发射强度与偏振片的偏振轴的角位置的关系的示例图。发射光的DOP大于0.75，其中，消光比大于7:1。可根据平行于偏振片的偏振轴的强度透射率(I∥)和垂直于偏振片的偏振轴的强度透射率(I⊥)计算QR发射的DOP，其被限定为DOP＝(I∥-I⊥)/(I∥+I⊥)。发射光的DOP还取决于SD1取向的光配向的照射剂量。SD1取向的锚定能量极大的取决于照射剂量，且因此，光配向的QR的有序参数和DOP还遵从相同的趋势。图4B是从光配向QREF发出的光的偏振度与SD1光配向的照射时间的关系的示例图。
图5A至图5D示出提供在根据本发明的示例实施例的具有蓝色背光QREF中的不同类型的QR(发绿光QR和发红光QR)的两种可能配置，该QREF用在液晶显示器中时允许实现宽色域和白平衡。在第一示例配置中，如图5A和图5B所示，两种类型的QR在单LCP层中混合。在第二示例配置中，在第一LCP层中提供第一类型的QR，且在第二LCP层中提供第二类型的QR(这可例如通过以下实现：先对对应于第一类型的QR的第一层执行图1的步骤105-107，然后对对应于第二类型的QR的第二层重复图1的步骤105-107)。关于第二示例配置，第二LCP层堆叠在第一LCP层的顶部上，且第一LCP层提供第二LCP层的取向。因此，将理解，QREF可包括多个堆叠的QR层或单层QR。在利用单层的混合的发绿光QR和发红光QR的示例实施例中，由于发红光QR部分吸收发射的绿光，发绿光QR可经历一些淬火，且因此，发红光QR和发绿光QR的浓度可被调节以针对期望的输出而考虑淬火。
图6A是从绿色量子棒的发射的灰度版本的示例照片，其展现了在示例实施方式中实现的亮度增强，而图6B是从红色量子棒的发射的灰度版本的示例照片，其展现了在示例实施方式中实现的亮度增强。将理解的是，对应于图6A的原始照片中的光是绿色，而对应于图6B的原始照片中的光是红色。在这些示例实施方式中展现了光配向的QR提供关于光发射的高的均匀性。
图6C是比较对应于在示例实施方式中的示例光配向QREF的色三角形与对应于NTSC标准的色三角形的图。在该示例实施方式中，对应于示例光配向QREF的色三角形大于NTSC标准115％。
图7是蓝光照射的光配向QREF的强度轮廓的示例图。在图7所示的示例中，光配向QREF具有多层结构(如，图5C和图5D中示出的示例结构)，具有发绿光QR和发红光QR且被由蓝色LED提供的蓝色泵浦光照射。蓝色LED的强度允许增加偏振效率，且蓝光被发绿光QR和发红光QR吸收以提供绿光和红光发射。因此，可调节蓝光的强度以实现理想的白平衡(如，通过增加撞击在QREF上的蓝光强度以得到充分的绿光和红光发射以得到白光)。假设蓝光被发绿光QR和发红光QR吸收，蓝光强度可被设置到大致是期望的白光强度的三倍大。
在示例实施方式中，基于利用根据本发明的示例实施例的光配向QREF，显示器件的偏振片的偏振效率被确定为已经从40-45％增加到大于55％。因此，通过利用根据本发明的示例实施例的光配向QREF，能够增加LCD的总的光学效率。还已经确定的是，通过利用根据本发明的示例实施例的光配向QREF，LCD的总效率能够从3-5％提高到6-8％，且LCD的亮度能够增加50％(相对于常规LCD)。
图8是具有光配向QREF的液晶显示器的示例实施例的示意图。如图8所示，液晶显示器包括分析器801、偏振片807、玻璃基板802和805、液晶层803、薄膜晶体管(TFT)有源矩阵层804、彩色滤光片阵列806、光配向QREF 808和背光单元809。
在示例实施例中，光配向的量子棒亮度增强膜包括：分布在可聚合单体膜中的多个量子棒，该可聚合单体膜设置在光配向层的顶部上。当受到泵浦光激发时，多个量子棒发射至少一个波长的光。多个量子棒包括与由光配向定义的预定取向轴对准的量子棒。量子棒亮度增强膜改善液晶显示器的总的光效率。
在进一步的示例实施例中，可通过照射设置在基板顶部上的多个偶氮染料分子创建光配向层的光配向。偶氮染料材料可以是磺酸基的偶氮染料，四钠5,5'-((1E,1'E)-(2,2'-二磺酸盐-[1,1'-联苯]-4,4'-取代基)二铀(二氮烯-2,1-取代基)二铀(2-羟苯酸盐)。每个薄膜层可通过旋转涂覆、喷印、喷墨印刷等沉积在基板上。薄膜层可至少包括光配向层和具有分散的量子棒的可聚合单体层。
在进一步的示例实施例中，光配准的照射剂量可调谐取向的量子棒的有序参数和取向的量子棒的发射的光的偏振度。有序参数可大于0.87且偏振度可大于0.7。
在进一步的示例实施例中，分布在具有多层QREF的每个QR层中的可聚合单体中的多个量子棒可包括：发射单个波长的量子棒。在另一进一步的示例实施例中，分布在具有单个QR层QREF的QR层中的可聚合单体中的多个量子棒包括：发射第一波长的第一多个量子棒和发射第二波长的第二多个量子棒。
在进一步的示例实施例中，可利用某种配体合成量子棒，该配体根据包围的可聚合的单体分子的取向得到量子棒的取向。QR的取向极大地取决于附于QR的配体和单体分子之间的相互作用。因此，配体和单体分子的分子结构可基于链强度和分子间相互作用力针对兼容性被优化以实现更好的取向质量。可聚合单体可聚合到固体膜中，由此固定分布在可聚合单体中的量子棒的取向。可聚合单体可以是液晶单体(如，来自DIC的UCL 017，来自Merck的RMM257等)。
在进一步的示例实施例中，可聚合单体可分别与光引发剂或热引发剂混合以发起光或热聚合。光引发剂或热引发剂的浓度可以相对于可聚合单体在从1％至40％的范围内。
在进一步的示例实施例中，单层膜可包括具有不同波段的多个量子棒。每个波段的量子棒的相对浓度可基于相应量子棒的量子产率被调谐，且调谐获得作为对泵浦光的反应的宽的色三角形(如，给定某些QR可具有70％的量子产率，而另一些具有80％的量子产率，在不同的示例实施方式中，QR的相对浓度可被调谐以实现期望的白平衡)。在一个示例实施例中，绿色量子棒和红色量子棒的浓度比被设置为27:25。
在进一步的示例实施例中，量子棒亮度增强膜可包括多个量子棒层，其中，每层包括不同类型的量子棒。不同的层可一个设置在另一个上且共同提供作为对泵浦光的反应的宽的色三角形。
在进一步的示例实施例中，基板可由玻璃或塑料制成且/或可是透明材料。
本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利在此通过引用并入本文，其程度等同于每个参考文献被单独地和具体地指出通过引用并入并且是被陈述整体并入。
在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)使用术语“一”和“一个”和“所述”和“至少一个”和相似的指代应被解释为覆盖单数和复数，除非另有说明或与上下文明显矛盾。使用术语“至少一个”后跟着的一个或多个项目(例如，“A和B中的至少一个”)的列表应被解释为从列出的项目(A或B)中选择的一个项目或者是两个或多个列出的项目(A和B)的任意组合，除非本文另有说明或明确地与上下文相矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被解释为开放式术语(即表示“包括但不限于”)，除非另有说明。除非本文另有说明，本文中值的范围的描述仅旨在用作单独提及落在范围内的每个单独值的简写方法，每个单独的值并入本说明书中，如同在本文中单独列举一样。本文所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行，除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾。本文提供的任何和所有实施例或示例性语言(例如“例如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，并不对本发明的范围构成限制，除非另有说明。说明书中的语言不应被解释为表示任何未被要求保护的元素对于本发明的实践是必需的。
本文描述了本发明的优选的具体实施方式，包括本发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。在阅读前面的描述之后，这些优选实施例的变化对于本领域普通技术人员来说可能变得显而易见。本发明人期望本领域技术人员适当地使用这种变化，发明人旨在以不同于本文具体描述的方式实施本发明。因此，本发明包括根据适用法律允许的所附权利要求中列举的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或以上下文明显矛盾，本发明涵盖了所有可能变化的上述元素的任意组合。

Claims (19)

1.一种光配向量子棒增强膜，包括：
基板；
光配向层，其设置在所述基板上；以及
聚合物层，其设置在所述光配向层上，其中，所述聚合物层包括多个量子棒，其中，所述多个量子棒被配置成响应于泵浦光发射一个或多个波长的光，且所述多个量子棒基于所述光配向层与取向轴对准。
2.根据权利要求1所述的光配向量子棒增强膜，其中，所述光配向层包括已经被照射的多个偶氮染料分子。
3.根据权利要求2所述的光配向量子棒增强膜，其中，所述多个偶氮染料分子是磺酸基的SD1偶氮染料分子。
4.根据权利要求1所述的光配向量子棒增强膜，其中，所述光配向层通过旋转涂覆、喷印和/或喷墨印刷设置在所述基板上；以及
其中，所述聚合物层通过旋转涂覆、喷印和/或喷墨印刷设置在所述光配向层上。
5.根据权利要求1所述的光配向量子棒增强膜，其中，对应于所述多个量子棒的有序参数和偏振度基于用于所述光配向层的照射剂量。
6.根据权利要求1所述的光配向量子棒增强膜，还包括：
附加聚合物层，其设置在所述聚合物层上，所述附加聚合物层包括多个量子棒，所述多个量子棒被配置成发射与对应于所述聚合物层的多个量子棒的所述一个或多个波长不同的一个或多个波长。
7.根据权利要求6所述的光配向量子棒增强膜，其中，所述聚合物层的多个量子棒和所述附加聚合物层的多个量子棒中的一者是发绿光的量子棒，且所述聚合物层的多个量子棒和所述附加聚合物层的多个量子棒中的另一者是发红光的量子棒。
8.根据权利要求1所述的光配向量子棒增强膜，其中，利用配体合成所述多个量子棒，所述配体被配置成关于所述聚合物层的可聚合单体分子的取向来取向所述量子棒。
9.根据权利要求1所述的光配向量子棒增强膜，其中，所述聚合物层被聚合以固定所述多个量子棒的取向。
10.根据权利要求1所述的光配向量子棒增强膜，其中，所述聚合物层是液晶聚合物层，所述液晶聚合物层包括聚合的液晶单体。
11.根据权利要求1所述的光配向量子棒增强膜，其中，所述聚合物层包括光引发剂或热引发剂，其促进所述聚合物层的聚合。
12.根据权利要求11所述的光配向量子棒增强膜，其中，在所述聚合物层中所述光引发剂或热引发剂相对于可聚合单体的浓度的范围是1％至40％wt/wt。
13.根据权利要求1所述的光配向量子棒增强膜，其中，所述多个量子棒包括被配置成发射第一波长的光的第一多个量子棒和被配置成发射第二波长的光的第二多个量子棒。
14.根据权利要求13所述的光配向量子棒增强膜，其中，所述第一多个量子棒是发绿光的量子棒，且所述第二多个量子棒是发红光的量子棒。
15.根据权利要求1所述的光配向量子棒增强膜，其中，所述基板是透明的。
16.一种液晶显示器，包括：
液晶层；
光配向量子棒增强膜，其设置在所述液晶层下面，所述光配向量子棒增强膜包括：基板；光配向层，其设置在所述基板上；和聚合物层，其设置在所述光配向层上，其中，所述聚合物层包括多个量子棒，其中，所述多个量子棒被配置成响应于泵浦光发射一个或多个波长的光，且所述多个量子棒基于所述光配向层与取向轴对准；和
背光，其设置在所述光配向量子棒增强膜下面。
17.根据权利要求16所述的液晶显示器，其中，所述光配向量子棒增强膜还包括：附加聚合物层，其设置在所述聚合物层上，所述附加聚合物层包括多个量子棒，所述多个量子棒被配置成发射与对应于所述聚合物层的多个量子棒的所述一个或多个波长不同的一个或多个波长。
18.一种用于制造光配向量子棒增强膜的方法，所述方法包括：
提供基板；
在所述基板上涂覆光配向层；
限定所述光配向层的取向；
将包括量子棒的单体层涂覆在所述光配向层上；以及
聚合所述单体层。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
将包括量子棒的附加单体层涂覆在聚合的单体层上；以及
聚合所述附加单体层。
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